废热锅炉安全阀弹簧断裂失效分析

元 素
Ｃｒ Ｍ“ Ｖ Ｐ Ｓ
１２ ．０
０ ８ ～ １ １ ． Ｏ ． ０
０ ６ ～ ０ ９ ． ５ ． ５
１Ｏ ．８
０ ５ ． ０～ ０． ０ ８
０． ５～ ０． ５ ６ ９
０ １ ．１
０ １ ～ ０ ２ ． ０ ． ０
００８ ． ０
０ ０ ０ ． ３
０ ０ ０ ． ３
０Ｏ３ ． １
０ ０ ０ ． ３
０ ０ ０ ． ３
分 析 结 果 表 明 ， 簧 圈 的成 分 接 近 国 内 的 弹
５ Ｃ ＶＡ 和 ５ Ｃ Ｍｎ 两种 钢 ， Ｃ 、 ０ｒ ５ｒ Ａ 但 ｒ Ｍｎ含 量 高
于这 两 种 钢 。Ｃ 元 素 能 提 高 钢 的 强 度 和 硬 度 ， ｒ
（ 南理 ５ 大 学 机械 与汽 车 ５ 程 学 院 腐 蚀 与表 面 ５ 程 研 究所 ， 东 广 州 ５ ０ ４ ） 华 － － － 广 １６ ０
摘 要 ： 某废 热 锅 炉安 全 阀 弹簧 在 使 用过 程 中发 生 断 裂 ， 过 对 宏 观 的 形 貌 观 察 、 料 成 分 分 析 、 相 检 通 材 金 验 、 度 测 定 以及 扫 描 电镜 观 察 ，ｒ ， 本 起 失 效 的 断 裂 类 型 属 脆 性 沿 晶 断 裂 ， 簧 内部 的 晶 界 弱 化 以及 组 硬 －￣断 － １ 弹
石
油
化
工
设
备
技
术
２０ ０ ８正
１ ６ 应 力 分 析 ．
弹簧 圈 的最 大 应力 点 在横 截 面 的 内侧 ， 而
弹簧 圈断裂 的源点 为横 截 面 的外 侧 ， 簧 圈 不 是 弹 从 应力 最 大点处 开 始 断 裂 的 ， 一 现 象 不 支 持 弹 这 簧 的断 裂是 因为 其工 作应 力大 于材 料 的许用 应力
部 位） 洞形 貌 ， 这 附 近 还 发 现 一 条微 小 裂 纹 ， 孔 在
见 图 ６。
检 验结 果 表 明 ， 试 样 Ｂ 的 若 干 视 场 ， 现 在 发
有 晶 界 弱化 形 貌 ， ８是 其 中的 一个 视 场 。造 成 图 晶界弱 化 的原 因是 回火 工 艺 不 当 ， 材 料 容 易 产 使
块 状结 构 ， 明 断 口是 沿 晶 开 裂 破 坏 。多 个 视 场 表
头 ６， ） 进一 步证 实簧 丝发 生脆性 破 坏 。
观 察 到二次 裂 纹 ， 特别 是 在裂 纹 源 附近 紧 靠 簧 丝
３
图 ２ 弹 簧 断 口形 貌
弹簧 外观 乌黑 ， 有 浮锈 ， 图 １ 没 见 。断 口在 离 固定 端约 一 圈 的部 位 的 簧丝 直 径 无 明显 形 变 ， 断 口呈 弯 面 ， 褐 色 ， 黑 锈层 较 坚 实 ， 簧丝 截 面约成 与 ３ 。 ５角 ， ０～４ 。 形貌 见 图 ２ 。在 图 ２ 头 １ 指 的部 箭 所 位 有 剪切唇 ， 区 域 很 小 ， 周 向 的长 度 约 为 ２ 但 沿 Ｏ ｍｍ， 度不 足 ０ ５ｍｍ。在 图 ２箭 头 ２所 指 的局 宽 ． 部呈 锥状 ， 明在 断 口的另 一 配 合 面上 可 观 察 到 表
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动 设备
Ｐｅ ｒ — ｔｏ Ｃｈｅ ｉａ ｕｉ ｅ ｅ ｈｎｏｏｇｙ ｍ ｃ ｌＥｑ ｐｍ ｎｔＴ ｃ ｌ
石 化 设 技 ，０２４・ ・ 油 工 备 术２８９）３ ０ ，（ ８
废 热 锅炉 安全 阀弹 簧 断 裂 失效 分 析
刘 钧 泉 ， 小 敏 周
生沿 晶开裂破 坏 。
对腐 蚀后 的 Ｂ试 样 进 行 金 相 检 验 。图 ７是 用 酒精 （ ０ ） １ ０ｍＬ 与硝 酸 （ ） ３ｍＬ 混合 的浸 蚀液 （ 处
理 时 间为 １ ｓ作 浸蚀 处 理 的金相 形 貌 图 ， ８是 ０） 图
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近 年来 ， 有若 干 弹簧失 效 的案例 ， 效原 因主 失
分 区域 ， 观察 到“ ” 形条 纹 ，人” 人 字 “ 字形 条纹 指 向 箭 头 ３的部 位 ， 示 此 处 有 可 能 是 裂 纹 的起 源 。 显 此 部 位 接 近 于簧 丝 的外 侧 （ 见 图 １中 的箭 头 ３ 参
织 上 的微 孔 洞 和 微 裂 纹缺 陷是 引起 失 效 的 主要 原 因。
关 键 词 ： 全 阀 弹 簧 ； 晶 断 裂 ； 界 弱 化 安 沿 晶
中 图 分 类 号 ： ９ ４ ３ 文献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ： ０ ６８ ０ （ ０ ８ ０ —０ ８ ０ ＴＥ ７ ． Ｂ １ ０ — ８ ５ ２ ０ ） ４ ０ ３ —３
论 上分 析 ， 受压 缩 的弹簧 ， 工作 时最 大应 力 处为 横 截 面 的 内侧 ， 而本 弹簧 裂 纹源部 位 基本 属 于外侧 ，
所受 的应 力是 较小 的 。裂 纹源 不是 产生 在工 作应 力最 大部 位 的这 一 现 象 表 明 ， 起 事 例破 坏 的 主 本 要 原 因不 是强 度设 计不 足 。 （ ）金相 检 查 结 果 表 明 ， 例 中 的 弹 簧 在 Ｂ ２ 事
细化 ， 高 钢 的韧 性 。一般 认 为 Ｐ Ｓ是 钢 中的 有 提 、 害元素 ， 含量 应加 以控 制 。 其
１３ 组 织和金 相检 验 ． 在 对材 料成 分 检 查 取 样 时 ， 现 图 ｌ中箭 头 发
４的部 位有 孑 洞 缺 陷 ， 清 晰 的 形 貌 见 图 ３中箭 Ｌ 更
２ ２ 材 料 成 分 分 析 ．
取 弹 簧 圈样 品进 行 化 学 成 分 分 析 ， 结 果 见 其
表 １ 。
收 稿 日期 ： ０ ８０ — ８ ２ ０—５０ 。
作 者 简 介 ： 钧 泉 （ ９ ７ ） 男 ， 东 中 山 人 ，９ ２年 毕 业 于 刘 １４ ， 广 １８
华 南 理 工 大 学腐 蚀 与 防 护 工 程 专 业 ， 学 士 学 位 ， 任 职 于 获 现
引起 的 。
２ 分 析 和 结 论
图 ８ 苦 味 酸 二 甲苯 酒 精 浸 蚀 的金 相
（ ）宏 观 检查 表 明 ， 例 中 的弹 簧 属 于 脆 性 Ｉ 事 断裂， 裂纹 源发 生在 图 Ｉ和 图 ２箭 头 ３部位 ， 理 从
１ ４ 材 料 硬 度 测 定 ．
在试 样 Ｂ上测 定 ６ 点 的硬 度 ， 数 值 均落 个 其 在 ５ Ｃ ＶＡ 弹 簧钢 经 淬 火 一 ０ｒ 回火 处 理 的推 荐 硬 度
果， 除此以外 ， 有发现可 能引起 严重腐蚀 的物质 。 没
（ ）清除腐 蚀 物后 的断 口 ２
位有 晶界 弱化 形貌 ， 明有 回火 脆 性特 征 ， 表 回火脆 性现 象通 常是 由回火工 艺不 当引起 的 。 （ ）在 能谱 检 测 中 ， 口上 没 有 检 查 到 引 起 ３ 断
对 断 口清理 后 的 二 次 电子 像 见 图 １ 。 图 １ ０ ０
上 观察到 清 晰 的冰 糖 块 状 结构 ， 明 断 口是 沿 晶 表
开裂 破 坏 。多 个 视 场 观 察 到 二 次 裂 纹 （ 箭 见
材 料发 生 晶间 腐蚀 的物 质元 素 。
（ ）断 口的微 观 检 测 中 ， 察 到 清 晰 的冰 糖 ４ 观
的部位 ） 。断 口的这些 特 征表 明本 起 失 效 基 本 属
要 有材料 的化学 成分 不合格 、 蚀性介 质 的作用 、 腐
制造 工艺 不 当 以及 材 料 强 度 不 够 等 。除此 以外 ，
在工 程 中还 有 因 材 料 组 织 不 均 、 晶界 弱 化 、 孔 微
洞、 微裂 纹 和材 料 表 面缺 陷等 因素 而 导致 的弹 簧
Ｃ 和 Ｐ的含 量较 高 ， 可 能是 锅 炉水 体影 响 的结 ａ 这
百度文库
试 样边 缘 （ Ａ试 样裂 纹源 部 位沿 轴 向延伸 处 ） 检查 出微 裂 纹 ， 光后 的表 面有较 多 的孔 洞缺 陷 ， 明 抛 表 制造 弹簧 的材 质 有缺 陷 。经 硝酸 酒精 溶液 浸蚀 的
金相 表 面没 有检 查 出表 层 脱 碳 的 损 伤 ； 苦 味 酸 经 二 甲苯酒 精溶 液 浸蚀 的金 相上 观察 到材 料某 些部
第 ２ 卷第 ４ ９ 期
刘 钧 泉 等 ．废 热 锅 炉 安 全 阀弹 簧 断 裂 失 效 分 析
表 １ 弹 簧 圈 化 学 成 分
钢 号 弹 簧 圈
５ Ｃｒ ０ ＶＡ
５ Ｃｒ ｎＡ ５ Ｍ
Ｃ ０ ５ ．２
０ ４ ～ ０ ５ ． ６ ． ４
０ ５ ～ ０ ６ ． ２ ． ０
图 ３ 取 样 部 位 见 孔 洞 缺 陷
图 ７ 酒 精 硝 酸 浸 蚀 的 金 相
图 ７中没 有 观 察 到 表 层脱 碳 ， 一 孔 洞 外也 除 没 有观 察 到其他 缺 陷 ， 金相 形貌 与文 献 ［ １ 供 的 ２提
图 ４ 试 样 Ａ 圆柱 面 疑 似 裂 纹
对 Ｂ试 样 抛光 后 进行 检 查 ， 个 视场 观 察 到 多
用苦 味 酸 （ ０ｇ 与 二 甲 苯 （ ０ １ ） １ ０ｍＬ） 酒 精 （ ０ 及 １ ｍＬ 混 合 的浸蚀 液 （ 理 时间 ９ ） ） 处 Ｏｓ 作浸蚀 处 理 的
金相 形貌 图 。
Ｃ、 ｒＭｎ相互 作 用 ， 使 钢有很 高 的淬 透性 ， Ｃ 、 可 但 ｒ
Ｍｎ均能 引起 回火 脆 性 。Ｖ 的加 入 ， 以使 晶 粒 可
５ Ｃ ＶＡ钢 淬 火 一 ０ｒ 回火 状 态 的 显 微 组 织 相 似 。酒 精硝 酸 浸蚀 液不 能显 示 材 料 的 晶界 形 貌 ， 苦 味 而 酸二 甲苯 酒精 浸 蚀处 理则 主要 用 于检 验 晶界是 否
有弱化。
孔 洞缺 陷 ， ５是试 样 Ｂ边 缘 （ 图 靠近试 样 Ａ 箭 头 ３
剪切 唇 ， 锥 状延 伸 的范 围 估 计 出另 一 配合 面 上 从
剪切唇 与箭 头 １ 部位 的大小 相仿 。在 断 口的大部
华南理工大学机械与汽车工程学 院， 高级 工 程 师 ， 究 方 向 ： 研
腐 蚀 防护 与 表 面 工 程 、 全 工 程 。 安
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（ Ｃ ５ ５ ） 平 均 值 为 ＨＲ ４ ， ＨＲ ４ ～ Ｏ 内， Ｃ ９ 因此 ， 起 本 案 例 中弹簧 的硬 度符 合标 准 。
１ ５ 断 口分 析 ．
（ ）清 除腐蚀 物 前 的断 口 Ｉ 断 口大部 分 表 面观 察 到 腐 蚀 物 ， 观 上 观察 宏 到“ ” 形 条 纹 部 位 的 断 口 的 二 次 电 子 像 见 人 字 图９ 。断 口上 有 块 状 结 构 物 ， 断 口 的某 一 部 位 在 进 行 能谱检 测 ， 除检 测 出材料 本 身所含 的成分 外 ，
头 ４ 。分 别 对 图 ｌ中 的 Ａ 试 样 和 Ｂ试 样 进 行 检
图 ５ Ｂ试 样 边 缘 孔 洞
查 。Ａ试 样 用酒 精 溶 液 揩 擦 后 ， 图 ２中箭 头 ３ 在
部位 圆柱 面 的二 次 电子像 中 观 察 到疑 似 裂 纹 ， 见 图 ４中箭 头 ５部位 。
图 ６ Ｂ试 样 边 缘 微 裂 纹
失效。
于脆 性 断裂Ⅲ 。
某废热锅炉安全阀上的弹簧在使用十几年后
发生 断裂 ， 弹簧 作为安 全 阀 的配件 整件进 口 ， 该 呈 圆柱 螺旋 状 ， 有 ８圈 ， 共 工作 时受 压 。主要 技术 参
数： 开 启压 力 １ ． ０ＭＰ ； １ ２ ａ
回 座 压 力 １ ． ａ ０ ２ＭＰ ；
公称 压力 ２５ ０ｌ ； ０ ｂ
进 口公称 通 径 ４ｉ； ｎ
图 １ 弹 簧 圈 形 貌
出 口公称 通 径 ６ｉ ｝ ｎ 工 作 温度 为 ３ ４ 。 １℃ 失效 前 ， 全 阀 曾开 启 一次 ， 安 开启 时 的压 力 为
１ ． Ｐａ １ ２Ｍ 。
２
１ 分 析 程 序 １ １ 宏 观 形 貌 观 察 ．